FALHA OU RUPTURA NOS METAIS

Causas: Seleção e o processamento dos materiais de uma maneira não apropriada. Projeto inadequado do componente ou a sua má utilização.

O engenheiro deve antecipar e planejar considerando as possíveis falhas

A engenharia e ciência dos materiais têm papel importante na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos.

“Até mesmo o formato influencia na resistência “Até mesmo o formato influencia na resistência. Elas têm os cantos arrendondas para distribuir melhor a força. No início da aviação, alguns aviões foram projetados com janelas quadradas. Os cantos pontiagudos formavam pontos de concentrador de tensão...”

Ônibus espacial Columbia, que se desintegrou em seu retorno à Terra em 1º de fevereiro de 2003

Ônibus espacial Columbia, que se desintegrou em seu retorno à Terra em 1º de fevereiro de 2003 Segundo as investigações, o desastre foi causado por um pedaço de espuma isolante, que, ao fazer um buraco no lado esquerdo da nave, permitiu a entrada de ar quente no Columbia e, conseqüentemente, causou sua destruição. O furo na fuselagem do ônibus espacial ocorreu durante o lançamento, mas os danos nunca foram detectados durante a missão, diz o relatório oficial.

FRATURA Consiste na separação do material em 2 ou mais partes em resposta a uma aplicação de uma tensão estática a temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material

FRATURA Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material. O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende da temperatura

FRATURA Ex: Materiais submetidos ao ensaio de tração Fratura frágil Fraturas dúcteis

FRATURA DÚCTIL E ASPECTO MACROSCÓPICO fratura taça e cone Fratura após ensaio de tração

MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por propagação da trinca Esse tipo de fratura é frequentemente chamado de estável Material dúctil submetido ao ensaio de tração

FRATURA DÚCTIL E ASPECTO MICROSCÓPICO

FRATURA FRÁGIL ASPECTO MACROSCÓPICO Material frágil submetido ao ensaio de tração Propagação das trincas podem ser chamadas de instáveis, A fratura frágil ocorre com a formação e propagação de uma trinca que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão

Aspecto macroscópico

Aspecto macroscópico

FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR A fratura se dá no contorno de grão A fratura passa através do grão

FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR A fratura passa através do grão A fratura se dá no contorno de grão

CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO A resistência à fratura depende da coesão entre os átomos Segundo a teoria a resistência coesiva para um material frágil=E/10 Na prática é entre 10-1000 X menor A.A. Griffith (1920) explicou essa diferença: a presença de microdefeitos ou microtrincas presentes no material faz com que as tensões sejam amplificadas. A magnitude da amplificação depende da orientação e da geometria da trinca.

Fator de Entalhe Entalhes são pontos preferenciais de iniciação de trincas. Tipicamente as tensões máximas observadas nesses pontos podem ser estimadas utilizando-se o conceito de fator de concentração de tensões, Kt, ou seja:

Resistências à fratura medidas para materiais frágeis são menores devido à presença de defeitos ou trincas microscópicas denominados concentradores de tensões.

A tensão critica para necessária para a propagação de uma trinca em um material frágil pode ser descrita por: O tamanho máximo admissível para um defeito será: E = Modulo de elasticidade γ = Energia de superfície especifica a = metade do cumprimento da trinca Importancia do controle nos metodos de fabricação Y = Parâmetro o função adimensional K1c = Tenacidade à fratura

Por que há falha nos materiais??

O material falha em serviço se uma carga dinâmica for aplicada e somente produz deformação elástica? O material falha em serviço se uma carga estática for aplicada e somente produz deformação elástica?

FADIGA

Falha por FADIGA A fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes. A falha se dá em um nível de tensão consideravelmente inferior ao limite de escoamento

Este fenômeno é verificado em aeronaves, componentes de máquinas, pontes, entre outros elementos mecânicos. Os estudos sobre Fadiga de Materiais visam concluir que é uma área multidisciplinar e que exige do engenheiro conhecimentos nas áreas de metalurgia, mecânica, ciência de materiais, processos de fabricação, simulação computacional e testes de laboratório; visando o melhoramento dos projetos mecânicos.

tragédia do avião Comet morreram 520 pessoas O acidente ocorreu devido ao desgaste na fuselagem que trincou a ponta de uma das janelas, trincas estas de dimensões inferiores a 0,007 mm de comprimento, que geraram elevadas concentrações de tensão o que desencadeou a tragédia (desde então tanto as portas como as janelas dos aviões são feitos em formatos arredondados nas pontas).

A fadiga é importante no sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais. A falha por fadiga é de natureza frágil, mesmo em metais dúcteis, no sentido de que existe muito pouca, se alguma, deformação plástica generalizada associada com a falha

Aspecto macroscópico da falha por fadiga

padrão em forma de leque FRATURA FRÁGIL ASPECTO MACROSCÓPICO marcas de sargento Início da fratura por formação de trinca padrão em forma de leque

TENSÕES CÍCLICAS Esforços que se repetem com regularidade

ciclo de tensões alternadas. A fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes. ciclo de tensões alternadas.

ciclo de tensões repetidas TENSÕES CÍCLICAS ciclo de tensões repetidas

TENSÕES CÍCLICAS

Parâmetros que são usados para caracterizar o ciclo de tensões oscilantes. tensão média intervalo de tensões a razão de tensões R A amplitude da tensão

Tensões de compressão e de tração são impostas sobre o corpo de prova à medida que ele é simultaneamente dobrado e girado.

Para algumas ligas ferrosas (à base de ferro) e de titânio Como os gráficos indicam, quanto maior a magnitude da tensão, menor o número de ciclos que o material é capaz de suportar antes de falhar. A amplitude da tensão da ordem de dois terços do limite estático de resistência à tração

Log Vida (Ciclos) 104 105 106 107 108 Tensão (MPa) S-N Curve Vida Finita Limite de Resistência a Fadiga Vida Infinita N S

Esse limite de resistência à fadiga representa o maior valor de tensão oscilante que não irá causar a falha após essencialmente um número infinito de ciclos. Para muitos aços, os limites de resistência à fadiga variam entre 35 e 60%do limite de resistência à tração.

resistência à fadiga, é definida: nível de tensão no qual a falha irá ocorrer para um dado número específico de ciclos (por exemplo, 10E7 ciclos alumínio, cobre, magnésio ligas não ferrosas

PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.

curvas representam o "melhor ajuste", Infelizmente, existe sempre uma dispersão considerável nos dados de fadiga, isto é, uma variação no valor de N medido para vários corpos de prova testados sob o mesmo nível de tensão. curvas representam o "melhor ajuste",

Como identificar uma ruptura causada por fadiga? Presença de duas zonas uma lisa e outra rugosa.

O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas: iniciação da trinca, Propagação da trinca fratura final, Quantidade total de ciclos até a fratura Nf, pode ser considerada portanto como sendo a soma do número de ciclos para a iniciação da trinca Ni e a propagação da trinca Np:

Marcas de Praia Essas marcas são encontradas em componentes que experimentam interrupções durante a propagação em estágio II por exemplo, uma máquina que operou somente durante as horas normais dos turnos de trabalho. Cada banda de marca de praia representa um período de tempo ao longo do qual ocorreu o crescimento da trinca.

entre estrias depende, e aumenta, em função do aumento da Cada estria é considerada representar a distância de avanço de uma frente de trinca durante um único ciclo de carregamento. A largura entre estrias depende, e aumenta, em função do aumento da faixa de tensões.

de praia e/ou estrias em uma superfície de fratura confirma A presença de marcas de praia e/ou estrias em uma superfície de fratura confirma que a causa da falha foi a fadiga. Entretanto, a ausência de qualquer uma ou das duas não exclui a fadiga como a possível causa da falha.

Equacionamento da Relação S-N A relação entre S e N é expressa por: , 103 < N < Ne Estudo com o Aço ASTM A743 CA6NM, mostrou que o seu Limite de Resistência a Fadiga é 384 MPa

Equacionamento da Relação S-N Na ausência de informações experimentais confiáveis, ainda é possível estimar a curva S-N utilizando-se a seguinte formulação:

Equacionamento da Relação S-N Resolvendo o Sistema:

Equacionamento da Relação S-N Para Aços admite-se que os valores de S103 e Se podem ser estimados por meio das seguintes relações: S103 = 0,9·Srt Sf = 0,5·Srt, Srt ≤ 1400MPa, ou = 700MPa, Srt >1400MPa Nf = 106

Para Aços : S103 = 0,9·Srt Se = 0,5·Srt, Srt ≤ 1400MPa, ou = 700MPa, Srt >1400MPa Ne = 106 Para outros materiais o valor de Se pode ser estimado pelas relações Ferros fundidos: Sf(106) = 0,4 . Srt ligas de Alumínio: pode-se assumir um limite de resistência à fadiga em 5.108 ciclos, estimado por: Sf(5.108) = 0,4.S Srt, Srt < 325 MPa ou Sf(5.108) = 130MPa, Srt > 325MPa ligas de Magnésio: Sf(108) = 0,35 . Srt ligas de Cobre: Sf(108) = 0,25 a 0,50 . Srt ligas de Níquel: Sf(108) = 0,35 a 0,5 . Srt ligas de Titânio: Sf(106 a 107) = 0,45 a 0,65 .Srt

Equacionamento da Relação S-N Exemplo: Estimar a Curva de Resistência a Fadiga do Aço ASTM A743 CA6NM

Equacionamento da Relação S-N Substituindo os valores teremos

Resistência à Fadiga de Componentes Estruturais A resistência à fadiga do material é medida em pequenos CPs padronizados com: diâmetro específico, d  8mm, sem entalhes ou tensões residuais, acabamento polido, testados em flexão rotativa de 4 pontos, temperatura e atmosfera controladas

Resistência à Fadiga de Componentes Estruturais Em Condições Reais de Uso : diversos fatores influenciam significativamente a vida à fadiga de peças reais os fatores que alteram as tensões macroscópicas devem ser tratados nas solicitações mas quando a escala dimensional do efeito do fator é pequena, é melhor considerá-lo como modificador da resistência à fadiga do material.

Resistência à Fadiga de Componentes Estruturais Uma forma de estimar a resistência a fadiga de um componente estrutural, Se, consiste no uso dos fatores de Marin: Ka = Fator de Acabamento Superficial Kb = Fator de Tamanho Kc = Fator de Carregamento Kd = Fator de Temperatura Ke = Fator de Entalhe = Limite de Resistência a Fadiga do Material

Resistência à Fadiga de Componentes Estruturais Fator de Acabamento Superficial - Ka Procura caracterizar o efeito sobre a resistência à fadiga do tipo de acabamento que a superfície da peça possui. Para o Aço ASTM A743 CA6NM Ka = 0,73 (Acabamento Usinado) Ka = 0,35 (Corroído em Água Doce) Ka = 0,24 (Corroído em Água Salgada)

FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdos e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga) Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de tensão)

O material falha em serviço se a carga aplicada for estática e somente produz deformação elástica? O material falha em serviço se a carga aplicada for dinâmica e somente produz deformação elástica?